Cụng nghệ đốt trực tiếp sinh khối
Trong phƣơng phỏp đốt trực tiếp sử dụng cỏc cụng nghệ sau: [16] - Chỏy chất đống
Kết cấu đơn giản với ghi cố định, nhiờn liệu đƣợc cấp vào buồng đốt từ phớa trờn hoặc dƣới ghi đốt. Phƣơng phỏp đốt này thớch hợp cho loại nhiờn liệu sinh khối cú độ ẩm cao và dải phõn bố kớch thƣớc hạt rộng, hiệu suất chỏy thấp (50 ữ 60 %).
- Chỏy trờn ghi
Cú 3 dạng ghi: ghi nghiờng cố định, ghi chuyển động và ghi lắc. Nhiờn liệu đƣợc rải đều trong buồng đốt. Tốc độ cấp nhiờn liệu phải phự hợp với tốc độ chỏy, độ ẩm trong nhiờn liệu: 10 %. Hiệu suất chỏy tƣơng đối cao: 85 ữ 95 %.
39 - Chỏy theo dũng
Cú 2 kiểu: chỏy dạng phun và chỏy theo dũng xoỏy (xiclon), cần cú hệ thống xử lý và cung cấp nhiờn liệu phức tạp. Nhiờn liệu cần sấy trƣớc khi sử dụng, cỡ hạt nhiờn liệu nhỏ, dao động trong khoảng 0,075 ữ 0,1 mm đối với chỏy dạng bột phun; nhỏ hơn 6 mm đối với chỏy theo dũng xoỏy (xiclon). Cho phộp đốt đồng thời nhiờn liệu sinh khối với than, phạm vi cụng suất rộng cú thể đƣợc ứng dụng trong cỏc nhà mỏy nhiệt điện.
- Chỏy lớp sụi và lớp sụi tuần hoàn
Nhiờn liệu chỏy lơ lửng trong lớp hạt trơ (cỏt, tro, chất hấp thụ), cỡ hạt nhiờn liệu phải đồng đều. Tốc độ giú trong buồng đốt cao: 1 ữ 3 m/s đối với chỏy sụi bọt, 4 ữ 12 m/s đối với chỏy tầng sụi tuần hoàn, cần hệ thống xiclon phức tạp để thu hồi cỏc hạt tro bụi nhỏ bay theo dũng. Cú thể ỏp dụng cho sinh khối với độ ẩm và độ tro cao, hiệu suất chỏy cao 95 ữ 99 %.
2.3. Nhận xột
Trong hệ thống hơi cụng nghiệp ở Việt Nam, tựy theo từng lũ hơi và yờu cầu cụng nghệ mà sử dụng loại nhiờn liệu phự hợp cú thể là sử dụng than, dầu, biomass hoặc đa nhiờn liệu. Hiện tại trong cụng nghiệp số lũ hơi sử dụng than làm nhiờn liệu đang chiếm chủ yếu ở Việt Nam, tuy nhiờn trong tƣơng lai khụng xa số lƣợng lũ hơi sử dụng biomass làm nhiờn liệu sẽ tăng lờn do nguồn than đang dần cạn kiệt và những tỏc động xấu tới mụi trƣờng khi sử dụng than làm nhiờn liệu, bờn cạnh đú tiềm năng nhiờn liệu sinh khối ở Việt Nam rất lớn, hơn nữa sử dụng biomass ớt tỏc động xấu tới mụi trƣờng. Cỏc sản phẩm chất cú chất lƣợng từ biomass nhƣ viờn nộn sinh khối, than hoặc bỏnh than sinh khối sẽ dần thay thế cỏc nhiờn liệu húa thạch trong tƣơng lai tới đõy.
40
CHƢƠNG 3 – PHÂN TÍCH CÁC TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG Lề HƠI VÀ HỆ THỐNG HƠI
Hiện nay, tiết kiệm năng lƣợng đang là một trong những chủ đề "núng" khụng chỉ trong phạm vi từng quốc gia mà đó trở thành vấn đề của thế giới. Nhiều ngành cụng nghiệp đang phải đối mặt với nguy cơ thiếu năng lƣợng, cỏc nguồn dự trữ năng lƣợng tự nhiờn ngày càng cạn kiệt, vỡ thế, vấn đề tiết kiệm năng lƣợng trở thành một khõu then chốt trong chiến lƣợc phỏt triển kinh kế của nhiều quốc gia trờn thế giới. Muốn vậy, phải chỉ ra đƣợc những biện phỏp hữu hiệu nhằm tiết kiệm năng lƣợng. Trong sản xuất cụng nghiệp, thiết bị lũ hơi là một trong những nơi dễ thất thoỏt năng lƣợng. Do đú, việc nghiờn cứu biện phỏp tiết kiệm năng lƣợng trong hệ thống hơi là cần thiết, gúp phần tiết kiệm nguồn dự trữ năng lƣợng quốc gia. [10]
3.1. Phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lũ hơi
Để xỏc định hiệu quả hoạt động của lũ hơi ta cần xỏc định cỏc luồng năng lƣợng và vật chất đi vào và ra khỏi lũ hơi.
Cỏc luồng vật chất và năng lượng đi vào lũ hơi:
- Nhiờn liệu: rắn, lỏng hoặc khớ; khụng khớ; nƣớc cấp - Cụng suất cơ của động cơ bơm, quạt
Cỏc luồng vật chất và năng lượng đi ra khỏi lũ hơi:
- Hơi nƣớc hoặc nƣớc; xả đỏy và rũ rỉ; truyền nhiệt bức xạ và đối lƣu - Khúi thải; tro xỉ
3.1.1. Phương phỏp tớnh theo nhiệt trị thấp (hiệu suất tinh lũ hơi)
Nhiệt trị thấp đƣợc biết đến nhƣ là nhiệt trị tinh. Nú là tổng lƣợng năng lƣợng thu đƣợc từ nhiờn liệu mà khụng bao gồm nhiệt ẩn ngƣng tụ của hơi nƣớc trong sản phẩm chỏy.
Ứng với 1 kg nhiờn liệu rắn, lỏng hay 1 m3 tc nhiờn liệu khớ khi chỏy trong lũ hơi ở điều kiện vận hành ổn định cú phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt tổng quỏt sau:
Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 (3-1) Trong đú:
41
Qđv: Lƣợng nhiệt cấp vào lũ ứng với 1 kg nhiờn liệu rắn, lỏng, kJ/kg; hoặc 1 m3 tc nhiờn liệu khớ, kJ/m3
Q1: Lƣợng nhiệt hữu ớch dựng để sản xuất hơi, kJ/kg Q2: Tổn thất nhiệt do khúi thải mang ra ngoài, kJ/kg
Q3: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học, kJ/kg Q4: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học, kJ/kg Q5: Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra mụi trƣờng xung quanh, kJ/kg Q6: Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài, kJ/kg
Viết dƣới dạng phần trăm, chia 2 vế phƣơng trỡnh (3-1) cho Qđv 100 % = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6
q1: Lƣợng nhiệt hữu ớch dựng để sản xuất hơi, % q2: Tổn thất nhiệt do khúi thải mang ra ngoài, %
q3: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học, % q4: Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học, % q5: Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra mụi trƣờng xung quanh, % q6: Tổn thất nhiệt do tro xỉ mang ra ngoài, %
Tớnh cõn bằng nhiệt
Lƣợng nhiệt đƣa vào lũ hơi và lƣợng nhiệt đƣợc sử dụng cõn bằng nhau theo phƣơng trỡnh (3-1). Thành phần của cỏc vế đƣợc xỏc định nhƣ sau:
A. Lượng nhiệt đưa vào lũ
Lƣợng nhiệt đƣa vào lũ hơi đƣợc tớnh theo cụng thức [2]
Qđv = Qt lv + Inl + Ikkn + Qp - Qk ; kJ/kgnl (3-2) Trong đú: Qtlv- nhiệt trị thấp của nhiờn liệu làm việc, kJ/kg
Ikkn – nhiệt lƣợng do khụng khớ núng mang vào, đƣợc tớnh đến khi khụng khớ đƣợc sấy núng từ nguồn nhiệt bờn ngoài,
Inl – nhiệt vật lý của nhiờn liệu đƣa vào,
Qp – nhiệt lƣợng do dựng hơi phun nhiờn liệu vào lũ, Qk – nhiệt lƣợng phõn hủy khi đốt đỏ dầu,
42
* Tớnh lượng nhiệt hữu ớch Q1, q1
Lƣợng nhiệt hữu ớch đƣợc tớnh nhƣ sau:[2]
Q1 = . Dii (3-3)
Trong đú: B – tiờu hao nhiờn liệu trong 1 giờ, kg/h Di – sản lƣợng hơi trong 1 giờ, kg/h
i = (ih – inc), kJ/kg
ih – entanpy của hơi; inc – entanpy của nƣớc cấp
* Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học Q4, q4
Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về cơ học đƣợc tớnh theo cụng thức sau: [2]
Q4 = (
+
+
) , kJ/kgnl (3-4) Trong đú:
Gb, Gx, Gl – khối lƣợng chất rắn gồm cả phần chỏy đƣợc và tro xỉ bay theo khúi, thải tro xỉ, lọt qua ghi trong 1 giờ, kg/h
Kb, Kx, Kl – tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn bay theo khúi, thải tro xỉ và lọt qua ghi.
Tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn bay theo khúi là: Kb = 100 - Ab % Tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn lẫn vào tro là: Kx = 100 - Ax % Tỷ lệ phần chỏy đƣợc trong chất rắn lọt qua ghi là: Kl = 100 - Al % Ngƣời ta gọi Ab, Ax, Al tƣơng ứng là tỷ lệ tro xỉ trong chất rắn bay theo khúi, lẫn vào tro xỉ hoặc lọt qua ghi.
* Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học Q3, q3
Tổn thất nhiệt do chỏy khụng hoàn toàn về húa học đƣợc tớnh theo cụng thức[2]
Q3 = ( ) * kJ/kgnl (3-5) Trong đú CO = = 2,37.
* Tớnh tổn thất nhiệt do khúi thải mang ra ngoài Q2, q2
43 Q2 = (Ith – Ikkl)(1-
) kJ/kgnl (3-6)
Trong đú Ith – entanpy của khúi thải, kJ/kgnl
Ikkl – entanpy của khụng khớ lạnh đƣa vào lũ, kJ/kgnl - Tớnh Ith = Ioth + ( . Io
kkl + Itro
– hệ số khụng khớ thừa trong khúi thải ra ngoài, cũn cỏc entanpi Io
th; Iokkl ; Itro phải tớnh theo nhiệt độ khúi thải.
* Tớnh tổn thất do nhiệt vật lý của tro xỉ Q6, q6
Nhiệt vật lý của tro xỉ đƣợc tớnh theo cụng thức [3]:
Q6 = ax*
* Cx* tx kJ/kg (3-7)
Trong đú: ax = 0,77 – tỷ lệ tro rơi theo xỉ [2]
Cx= 0,9337 kJ/kg.độ - nhiệt dung riờng của tro xỉ, cho trong bảng
* Tổn thất do tỏa nhiệt ra mụi trường xung quanh Q5, q5
Tổn thất nhiệt q5 khụng lớn, chỉ bằng khoảng 0,5 ữ 3,5 %, tổn thất q5 phụ thuộc vào cụng suất, diện tớch bề mặt, độ chờnh nhiệt độ giữa bề mặt thiết bị với mụi trƣờng, với hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu và bức xạ giữa bề mặt với mụi trƣờng xung quanh mà chủ yếu là tốc độ giú xung quanh và màu sắc của bề mặt.
Tổn thất nhiệt tỏa ra mụi trƣờng xung quanh đƣợc tớnh nhƣ sau [2]:
q5 = qo5 * , % (3-8)
Hiệu suất lũ hơi
Theo định nghĩa hiệu suất lũ hơi là tỷ số giữa lƣợng nhiệt hữu ớch và lƣợng nhiệt đƣa vào do đú ta cú:
(3-9)
Hay (3-10) Phƣơng phỏp xỏc định hiệu suất lũ hơi theo (3-9) gọi là phƣơng phỏp theo cõn bằng thuận, cũn phƣơng phỏp xỏc định hiệu suất theo (3-10) gọi là phƣơng phỏp cõn bằng nghịch. [1]
Khi hệ số khụng khớ thừa buồng lửa càng lớn thỡ nhiệt độ chỏy lý thuyết của quỏ trỡnh giảm, làm giảm lƣợng nhiệt hấp thụ bằng bức xạ của buồng lửa, dẫn đến nhiệt
44
độ khúi sau buồng lửa tăng lờn tức là nhiệt độ khúi thoỏt tăng. Đồng thời hệ số khụng khớ thừa càng lớn thỡ thể tớch khúi thải càng lớn và nhƣ vậy thỡ q2 cũng càng lớn. Vỡ vậy cần khống chế ở mức nhỏ nhất, đồng thời hạn chế khụng khớ lạnh lọt vào lũ hơi. Tuy nhiờn khi hệ số khụng khớ thừa càng nhỏ thỡ q2 giảm nhƣng q3 lại tăng cú thể do thiếu khụng khớ hoặc khú pha trộn khụng khớ với nhiờn liệu (nhƣng khi hệ số khụng khớ thừa quỏ lớn làm cho nhiệt độ buồng lửa quỏ thấp thỡ q3 cũng lại tăng). Vỡ vậy phải tớnh chọn sao cho tổng tổn thất nhiệt q2 + q3 là nhỏ nhất. [10]
3.1.2. Phương phỏp tớnh theo nhiệt trị cao
Nhiệt trị cao thƣờng đƣợc gọi là nhiệt trị toàn phần. Nú là tổng năng lƣợng nhiờn liệu cung cấp sau khi toàn bộ hơi nƣớc trong khúi ngƣng tụ trở lại trạng thỏi lỏng. Do vậy, nú chứa nhiệt ẩn của nƣớc, nhiệt ẩn này thu đƣợc khi hơi nƣớc ngƣng tụ. Hiệu suất thụ của lũ hơi đƣợc tớnh theo phƣơng phỏp tớnh qua tổn thất nhiệt: [18] ηLH = (1 – Q/GCV) x 100 %
Trong đú:
ηLH : Hiệu suất lũ hơi tớnh theo phƣơng phỏp tổn thất nhiệt Q: Tổng cỏc tổn thất nhiệt
GCV: Nhiệt trị cao của nhiờn liệu Cỏc tổn thất trong lũ hơi bao gồm:
a. Tổn thất nhiệt do khúi (khụ), ký hiệu: Q1 Q1 = 1,39 x GD x (T2 – T0) kJ/kg
Trong đú:
GD: lƣu lƣợng khúi khụ thực tế T2: nhiệt độ khúi thải
T0: nhiệt độ mụi trƣờng
b. Tổn thất nhiệt do việc hỡnh thành nước từ quỏ trỡnh chỏy H2 trong nhiờn liệu, ký hiệu: Q2
Q2 = 93,632 x {(h/2) + (w/18)}x (482 + 0,362 x (T2 – T0)) kJ/kg
Trong đú:
45 w: khối lƣợng nƣớc trong nhiờn liệu
c. Tổn thất nhiệt do nước cú trong nhiờn liệu, ký hiệu: Q3
Q3 = 1,51 x A0 x x ⍴ x (T2 – T0) kJ/kg
Trong đú:
A0: Lƣợng khụng khớ lý thuyết (thụng số đầu vào)
⍴: Độ ẩm khụng khớ tuyệt đối
: Hệ số khụng khớ dƣ
d. Tổn thất nhiệt do độ ẩm trong khụng khớ, ký hiệu: Q4 Q4 = 1,3 x A0 x x Δ x (T2 – T0) kJ/kg
Trong đú:
Δ: hệ số khụng khớ rũ (Δ = 0,01 0,03)
e. Tổn thất do chỏy khụng hết về cơ học và húa học, ký hiệu: Q5
Q5 = ( )
kJ/kg
Trong đú:
co: Thể tớch khớ CO trong khúi khụ
c: Khối lƣợng của cacbon trong nhiờn liệu s: Khối lƣợng lƣu huỳnh trong nhiờn liệu
f. Tổn thất nhiệt do thất thoỏt nhiệt của tro, ký hiệu: Q6
Khi lượng tro xỉ nhỏ:
Q6 =
kJ/kg Khi lượng tro xỉ lớn:
Q6 =
kJ/kg
Trong đú:
Ay: Khối lƣợng của tro trong nhiờn liệu rắn (than) Cfh: Khối lƣợng bụi cacbon trong dũng khúi Clz: Khối lƣợng bụi cacbon trong tro xỉ
46
g. Tổn thất do bức xạ nhiệt, ký hiệu: Q7
Đƣợc xỏc định thụng qua cụng thức: η7 = Trong đú:
De: Cụng suất định mức của lũ hơi D: Cụng suất thực của lũ hơi
: Tổn thất nhiệt định mức do bức xạ khi D bằng De
h. Cỏc tổn thất khỏc, ký hiệu: Q8 η8 = Q8/GCV = 0,005
Nhận xột:
Trờn đõy là hai phƣơng phỏp tớnh toỏn hiệu suất lũ hơi đƣợc sử dụng phổ biến. Mỗi phƣơng phỏp đều cú những đặc điểm và cú ƣu điểm nhất định, tuy nhiờn phƣơng phỏp tớnh toỏn hiệu suất theo nhiệt trị cao sẽ chi tiết hơn, và đảm bảo độ chớnh xỏc hơn với sự cõn bằng năng lƣợng hoàn chỉnh của hệ thống. Đõy là phƣơng phỏp đƣợc cỏc nƣớc tiờn tiến thƣờng sử dụng. Trong giai đoạn hiện nay sử dụng cả hai phƣơng phỏp tớnh toỏn sẽ giỳp cỏc kỹ sƣ, nhà thiết kế cú những cỏch nhỡn chi tiết và rừ ràng hơn, phự hợp với xu thế hội nhập quốc tế của Việt Nam.
3.2. Phõn tớch cỏc tiềm năng tiết kiệm năng lƣợng trong hệ thống hơi
3.2.1. Cỏc biện phỏp tiết kiệm năng lượng trong lũ hơi
Từ việc phõn tớch cỏc tổn thất nhiệt, ta cú cỏc biện phỏp sử dụng năng lƣợng hiệu quả trong hệ thống lũ hơi nhƣ sau:
- Kiểm soỏt hệ số khụng khớ thừa; Lắp đặt thiết bị thu hồi nhiệt - Làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt của lũ hơi; Tăng cƣờng xử lý nƣớc. - Lắp đặt bộ điều khiển xả lũ tự động; Thu hồi nhiệt từ nƣớc xả lũ.
- Thờm/ khụi phục lớp vật liệu chịu lửa; Giảm số lũ hơi vận hành; Chuyển đổi nhiờn liệu.
- Tối ƣu húa hoạt động của bộ khử khớ.
3.2.1.1. Kiểm soỏt hệ số khụng khớ thừa
Trong thực tế, cần một lƣợng khớ thừa để đảm bảo quỏ trỡnh chỏy tối ƣu. Mức độ khớ thừa này cú thể dao động tuỳ thuộc thiết kế lũ, loại lũ, nhiờn liệu và cỏc
47
biến số của quỏ trỡnh chỏy. Quản lý quỏ trỡnh chỏy hợp lý yờu cầu cung cấp đủ lƣợng oxy cho buồng lửa để đốt chỏy tất cả nhiờn liệu nhƣng khụng đƣợc thờm quỏ nhiều khụng khớ để đảm bảo rằng lƣợng nhiệt tổn thất là nhỏ nhất. Thụng thƣờng đối với lũ hơi, lƣu lƣợng cấp nhiờn liệu đƣợc điều khiển bởi ỏp suất hơi đầu cấp. Nếu ỏp suất đầu cấp giảm, bộ điều khiển sẽ tăng lƣu lƣợng cấp nhiờn liệu cho lũ hơi để sinh thờm hơi, đƣa ỏp suất trở lại điểm cài đặt. Ngƣợc lại, nếu ỏp suất tăng, lƣu lƣợng cấp nhiờn nhiệu sẽ giảm đi để làm giảm lƣợng hơi sinh ra. Khi lƣu lƣợng nhiờn liệu cấp vào lũ hơi thay đổi, lƣu lƣợng khụng khớ tƣơng ứng phải thay đổi để duy trỡ quỏ trỡnh đốt chỏy thớch hợp. Cú hai dạng chớnh của điều khiển quỏ trỡnh đốt chỏy:
- Điều khiển vị trớ - Tự động cắt lƣợng oxy
a. Điều khiển vị trớ
Quỏ trỡnh điều khiển lƣu lƣợng khụng khớ cấp đƣợc thực hiện bởi cỏc truyền động cơ khớ từ van khụng khớ tới bộ điều khiển. Nú thƣờng đƣợc gọi là điều khiển vị trớ do van giú sẽ cú 1 vị trớ dựa trờn vị trớ của bộ điều khiển lƣu lƣợng giú. Cần chỳ ý rằng, loại điều khiển này khụng dựa trờn bất kỳ tham số oxy hay khớ chỏy đƣợc đo. Oxy và khớ chỏy đƣợc định kỳ đo để thiết lập quan hệ giữa bộ điều khiển cấp giú và bộ điều khiển cấp nhiờn liệu.